摩尔电导法研究十二烷基硫酸钠的聚集行为剖析 - 图文

广州大学化学化工学院

本科学生综合性、设计性实验报

告

实验课程 基础化学实验Ⅲ——物理化学实验 实验项目 摩尔电导法研究十二烷基硫酸钠的聚集 行为 专业 化学工程与工艺 班级 学号 姓名

指导教师及职称 张建华

开课学期至 学年 学期 时 间 年 月 日

一、实验方案设计 实验序号 实验二十 实验项目 摩尔电导法研究十二烷基硫酸钠的聚集行为 实验时间 2014.11.08 实验室 生化楼411 小组成员 刘丹彤、赖珍荣、邱金甘、邱潇薇、黄建嘉、李瑞麒 1.实验目的 1）了解表面活性剂的特性及胶束形成原理。 2）用电导法测定十二烷基硫酸钠的临界胶束浓度。 3）通过本课题的研究对表面活性剂产品的设计做出详细评价与说明。 4）复习电导率仪的使用方法。 2.实验研究相关领域简况： 表面活性剂是一种具有两亲性质的物质可以显著的改变体系表面的 性质，在许多领域都有应用，如：在纺织工业中做洗涤剂、均染剂和分散剂，在石油工业中作为驱油剂提高原油采收率或进行油田杀菌等。而临界胶束浓度会使体系的性质发生突变，因此研究表面活性剂的临界胶束浓度对表面活性剂在化学化工方面的应用有着十分重要的作用。 3.实验原理 1）表面活性剂的特性及胶束形成原理 能使溶液表面张力明显降低的溶质成为表面活性剂，表面活性剂分子是有亲水性的极性基团（通常是离子化）和憎水性的非极性基团（具有8～18个碳原子的直链烃或环烃）所组成的有机化合物。按例子的类型分为三类： a.阴离子型表面活性剂：十二烷基硫酸钠SDS b.阳离子型表面活性剂：十二烷基三乙基溴化铵DTEAB c.非离子型表面活性剂：聚乙二醇类 表面活性剂为了使自己成为溶液中的稳定分子，有两种途径：一是它们以低浓度存在于某一体系中时，可被吸附在该体系表面上，采取极性基团向着水，非极性基团脱离水的表面向着空气，形成单分子膜。二是当溶液浓度增大到一定值时，表面活性剂离子或分子不但在溶液表面聚集而形成单分子层，且在溶液本体内部，非极性基团靠在一起，减少非极性基团接触水，形成胶束。表面活性物质在水中形成胶束所需的最低浓度称为临界胶束浓度，本次研究就是为了找出临界胶束浓度CMC。 1

表面活性剂在水中的行为 2)表面活性剂临界胶束浓度的测定原理 运用电导法，从溶液的物理化学性质随浓度变化关系出发求得。电导法只限于离子型表面活性剂，不限于GEMINI具有分子间强相互作用的物质。另外，过量无机盐存在会降低测定灵敏度，因此配置溶液应用电导水。 对于离子型表面活性剂溶液，当溶液浓度很稀时，电导的变化规律也和强电解质一样；但当浓度达到临界胶束浓度时，随着胶束的生成，电导率发生改变，摩尔电导急剧下降。这就是电导法测定CMC的依据。 对于本次研究重在测定不同的电导率值，计算出相应的摩尔电导率值∧m，然后作∧m-C图，得到相应的图，从图中找到转折点便是CMC。公式：电导率除以溶液浓度便可得到摩尔电导率。电导率：1μS/cm=10-4S/m,浓度：1mol/L,摩尔电导率：10-1S*m2/mol(本次实验有可能运用)。 十二烷基硫酸钠水溶液的物理性质和浓度的关系 4.实验问题 1、探究温度对CMC的影响，设置恒温池的温度为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃。 2

2、探究有机溶剂对CMC的影响，选用乙醇，在25℃条件下设置体积分数为2%、4%、6%、8%、10%、12%。 5.实验仪器与试剂 仪器 DDS-11A型电导率仪2台，电导电极2支，CS501型恒温水浴2套，1000ml容量瓶2个、分析天平1个、250ml大烧杯4个、玻璃棒6支、带钩锥形瓶24个、胶头滴管6个、10ml移液管4条、20ml移液管6条、100ml容量瓶24个、标签纸若干 试剂 十二烷基硫酸钠固体、无水乙醇、电导水（自来水）、蒸馏水 6.实验装置图 7.实验方法步骤及注意事项 a.探究温度对SDS的CMC的影响 1) 打开电导仪电源，预热15分钟 2) 配制0.050mol/L十二烷基硫酸钠（M=288）溶液 3) 准确称量80℃干燥3h后的十二烷基硫酸钠(SDS) 14.694g（以98%计算）溶于干燥的250mL烧杯中，加入蒸馏水搅拌溶解。待冷却到室温后转入1000mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，定容为原始溶液备用，此原始溶液浓度为0.050mol/L。 4) 溶液配制 分别量取0.050mol/L原始溶液4mL、8mL、12mL、14mL、16mL、18mL、20mL、24mL、28mL、32mL、36mL、40mL至100ml容量瓶中，加水至100mL定容。各溶液浓度分别为0.002mol/L、0.004mol/L、0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol/L、0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L 3

5) 调节恒温槽水温至（25±0.1）℃ 将CS501型恒温水浴设置温度为25℃，打开搅拌与加热按钮，对水进行恒温25℃ 6) 用蒸馏水洗电导池和电导电极三次（注意不要直接冲洗电极，以保护铂黑），再用待测液洗3次，向250ml锥形瓶中加入适量的0.002mol/L待测液，插入电导电极，恒温10min。 7) 将电导率仪的“量程选择”旋钮扳到最大测量挡，将“校正—测量”开关扳到“校正”位置，将“温度补偿”调到25℃。根据电极上标明的电极常数，调节“常数校正”旋钮至1.0。将“校正—测量”开关扳到“测量”位置，调节“量程选择”旋钮,根据仪器显示数字的有效数字确定适当量程。此时，所显示的数值为该溶液电导率。 8) 将“校正-测量”开关扳到“校正”位置，倒掉250ml锥形瓶中的溶液，用下一个较浓十二烷基硫酸钠的溶液(0.004mol/L)淌洗电导池和电导电极三次，向250ml锥形瓶倒入适量该溶液，插好电极，恒温15min后，按步骤6和7测定其电导率。如此按由稀到浓的顺序，测定其他浓度（0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol/L、0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L）十二烷基硫酸钠溶液的电导率。 9) 用去离子水将电导池和电导电极洗净，按步骤7）测水的电导率。 调节恒温水浴升温，按1)-10)步骤测定在30℃、35℃、40℃、45℃下的上述系列浓度梯度的SDS溶液和去离子水的电导率，并记录数据于表中。 b.探究有机溶剂无水乙醇对SDS的CMC的影响 1) 准确称量80℃干燥3h后的十二烷基硫酸钠(SDS) 14.694g（以98%计算）溶于干燥的250mL烧杯中，加入蒸馏水搅拌溶解。待冷却到室温后转入1000mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，定容做原始溶液备用，此原始溶液浓度为0.050mol/L。 2) 溶液配制 分别量取0.050mol/L原始溶液4mL、8mL、12mL、14mL、16mL、18mL、20mL、24mL、28mL、32mL、36mL、40mL至100ml容量瓶中，向容量瓶中加入2ml无水乙醇，然后向100ml容量瓶加水至100mL定容。各溶液浓度分别为0.002mol/L、0.004mol/L、0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol/L、4

0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L并且乙醇含量为2%。同理，分别加入4ml、6ml、8ml、10ml、12ml无水乙醇于100ml容量瓶，然后定容100ml。各溶液浓度分别为0.002mol/L、0.004mol/L、0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol/L、0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L并且乙醇含量为4%、6%、8%、10%、12%。 3) 将CS501型恒温水浴设置温度为25℃，打开搅拌与加热按钮，对水进行恒温25℃ 4) 接通电源前，先观察表针是否指向零，如果不指向零，机械调零。将校正、测量档开关置于“校正”位置。插接电源线，打开电源线，预热3分钟。将量程开关打到最大，然后逐渐减少。当被测量液体电导率低于300μS/cm时，选用“低周”，即选用*10^3一下的量程，反之就用“高周”。 5) 将2）定容后的溶液全部转移至250ml锥形瓶中,将250ml锥形瓶放入25℃恒温池中，恒温5min。将电导电极放入锥形瓶的溶液中测量其电导率。并记录于表中。 注意事项： 1、溶液配制过程中，每一组人用同一条移液管，减少系统误差； 2、DDS-11A型电导率仪的指针尽量指在表盘的中央； 3、若SDS约为100%纯净取14.419g； 4、定容时注意不要超过刻度线； 5、配制溶液必须保证表面活性剂完全溶解； 6、电解质溶液的电导率随温度的变化而改变，因此，在测量时应保持被测体系必须处于恒温条件下； 7、使用前，先清洗电导电极，清洗时两个铂片不能有机械摩擦。可用电导水淋洗。可用电导水淋洗，然后后将其竖直，用滤纸轻吸，将水吸净，但不能用滤纸擦铂片。使用过程中其电极片必须完全浸入所测的溶液中。使用完后，电极必须保持干燥； 8、注意电导仪应由低到高的浓度顺序测量样品的电导率。 8.数据处理 a. 作出摩尔电导率与浓度的关系图，从图中转折点得出临界胶束浓度值。 b. 查文献值，计算相对误差。十二烷基硫酸钠(SDS)的理论CMC值：25℃为5

8.2*10-3mol/L、40℃为8.7*10-3mol/L。 c. 根据计算吉布斯自由能，通过查找文献，吉布斯自由能小于0，且β=0.555。 9.问题讨论 1、通过计算相对误差，分析实验误差有可能出现的步骤，对有可能出现的误差步骤提出更好的改进方法； 2、对文献进行比对，验证我们的综合性实验是否与文献的结论相符； 3、从实验结果分析温度、乙醇的用量、无机盐离子Ca2+对SDS的CMC的影响。 10.参考文献 [1]吕建晓,王 栋,周集体,郑攀峰.EMF和电导率法对SDS胶束体系热力学性质研究.大连理工大学学报.第46卷第5期.2 0 0 6年9月. [2]肖进新,肖寒,蓝亭,暴艳霞, 赵振国.SDS及其与十二烷基三乙基溴化铵混合体系在矿化水中的表面活性.化学学报.2004年第62卷第4 期,351 ~ 354.2004年. [3]赵剑曦.表面活性剂水溶液的电导率研究方法和一些特征数据的提取.物理化学学报.2010, 26(10):2589-2596. [4]尚宏利.金属盐对双子表面活性剂临界胶束浓度的影响.化学进展.2011年第30期曾刊. [5]舒梦,陈萍华等.十二烷基硫酸钠的临界胶束浓度的测定及影响分析.化工时刊.第28卷第3 期..2014年3月. [6]陈平初李武客.为什么要引入摩尔电导率.大学化学.第20卷第5期.2005年10月. [7]Wajih Al-Soufi,Lucas Pi?eiro,Mercedes Novo.A model for monomer and micellar concentrations in surfactant solutions:Application to conductivity, NMR, diffusion, and surface tension data.Journal of Colloid and Interface Science 370 (2012) 102–110. [8]Imidazolium-based ionic liquids as modulators of the critical micelle concentration of SDS. 教师对实验方案设计的意见 签名： 年 月 日

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二、实验报告 1、实验原始数据 探究温度对SDS的CMC的影响 编号 V（SDS)/mL C(SDS)mol/L 温度/℃ 25 30 35 40 45 50 编号 V（SDS)/mL C(SDS)mol/L 温度/℃ 25 30 35 40 45 50 1 4 0.002 2 8 0.004 3 12 0.006 34 14 0.007 5 16 0.008 6 18 0.009 编号 1 2 3 4 5 6 编号 1 2 3 4 5 6 电导率k/*10单位：μS/cm 0.187 0.207 0.238 0.260 0.282 0.302 7 20 0.01 0.339 0.379 0.410 0.450 0.488 0.539 8 24 0.012 0.460 0.510 0.570 0.630 0.688 0.772 9 28 0.014 0.511 0.562 0.626 0.710 0.781 0.841 10 32 0.016 0.560 0.621 0.701 0.770 0.870 0.950 11 36 0.018 0.601 0.662 0.739 0.810 0.920 1.020 12 40 0.020 电导率k/*103 单位：μS/cm 0.642 0.720 0.830 0.830 1.010 1.080 0.741 0.820 0.931 1.030 1.130 1.190 0.821 0.920 1.000 1.130 1.240 1.351 0.920 1.010 1.110 1.250 1.360 1.470 0.990 1.110 1.220 1.350 1.480 1.610 1.060 1.152 1.250 1.390 1.600 1.710 1.81.61.4k（×10 μS/cm）1.21.00.80.60.40.20.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.022 25℃ 30℃ 35℃ 40℃ 45℃ 50℃3-1不同浓度SDS 的电导率随温度的变化

7 图

c(mol/L)

探究有机溶剂无水乙醇对SDS的CMC的影响 V(醇)/% C(SDS)=0.05mol/L 编号 V（SDS)/mL C(SDS)mol/L C(醇)/% 2 4 6 8 10 12 编号 V（SDS)/mL C(SDS)mol/L C(醇)/% 2 4 6 8 10 12 1 4 0.002 2 8 0.004 3 12 0.006 34 14 0.007 5 16 0.008 6 18 0.009 编号 1 2 3 4 5 6 V(醇)/mL 2 4 6 8 10 12 电导率k/*10单位：μS/cm V(醇)/% C(SDS)=0.05mol/L 0.241 0.239 0.210 0.145 0.140 0.119 7 20 0.01 0.341 0.335 0.340 0.296 0.301 0.241 8 24 0.012 0.421 0.420 0.439 0.362 0.361 0.311 9 28 0.014 30.489 0.491 0.459 0.396 0.398 0.350 10 32 0.016 0.520 0.500 0.499 0.418 0.405 0.412 11 36 0.018 0.550 0.539 0.540 0.448 0.426 0.421 12 40 0.020 编号 1 2 3 4 5 6 V(醇)/mL 2 4 6 8 10 12 电导率k/*10单位：μS/cm 0.559 0.520 0.509 0.463 0.479 0.459 0.620 0.599 0.578 0.560 0.541 0.538 0.701 0.670 0.670 0.642 0.619 0.596 0.758 0.742 0.699 0.686 0.682 0.692 0.817 0.779 0.770 0.746 0.722 0.750 0.880 0.845 0.830 0.821 0.798 0.761 添加了乙醇时对SDS 的临界胶束浓度的影响

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10

根据Λm?

?c（其中k的单位为S?m ，c的单位为mol?m，所以摩尔电导率Λ

?1?3m的单位为S?m2?mol?1），画出“温度对SDS的CMC影响”的?m?c图。

0.180.160.14Λm(S·m·mol)0.120.100.080.060.040.02024681012-32-1 25℃ 30℃ 35℃ 40℃ 45℃ 50℃1416182022c(mol/m)11

2、数据处理 根据“探究温度对SDS的CMC的影响”得到的原始数据，用origin软件进行处理（画图），得到以下数据： 不同温度对应的十二烷基硫酸钠的CMC： 温度T/℃ CMC（SDS）mol/L 25 0.0077 30 0.0079 35 0.0080 40 0.0084 45 0.0089 50 0.0103 查相关文献，得到，十二烷基硫酸钠（SDS）的理论CMC值：25℃为8.2?10-3mol/L, 40℃为8.7?10-3mol/L。 相对误差： 25℃:(7.7-8.2)/8.2*100%=-6.1% 40℃:(8.4-8.7)/8.7*100%=-3.4% 根据“探究有机溶剂无水乙醇对SDS的CMC的影响”得到的原始数据，用origin软件进行处理（画图），得到以下数据： 不同乙醇的体积分数对应十二烷基硫酸钠的CMC： 乙醇体积分数% CMC（SDS）mol/L 2 0.0083 4 0.0092 6 0.0095 8 0.0114 10 0.0117 12 0.0129 根据计算吉布斯自由能，通过查找文献，吉布斯自由能小于0，且β=0.555 温度T/K 298 303 308 313 318 323 cmc(SDS)mol/L 0.0077 0.0079 0.0080 0.0084 0.0089 0.0103 吉布斯自由能/J -3857.4910 -3922.1067 -3986.7355 -4051.3280 -4115.9116 -4180.4068 由结果可以得出，在实验范围内，吉布斯自由能均为负值，表明胶束化过程可以自发12

进行。 3、结果与讨论 a. 由“不同浓度SDS 的电导率随温度的变化图”可以计算出SDS 的CMC 值，其结果见表“不同温度对应的十二烷基硫酸钠的CMC”。由表“不同温度对应的十二烷基硫酸钠的CMC” 中数据可以看出: 在一定的温度范围内( 25-50℃) ，随着温度的升高，CMC 增大，其CMC 的增大幅度不是很大，这可能是因为温度的升高不利于离子型的表面活性剂分子聚集成胶束，胶束的稳定性减小，使得表面活性剂难以进入胶束，致使CMC 上升。另外可能是温度的升高，可以使憎水基周围的水结构破坏、妨碍胶束的形成，也使CMC 上升。 b. 由“添加了乙醇时对SDS 的临界胶束浓度的影响”可以计算出加入乙醇后SDS的CMC值，并且对比“不同浓度SDS 的电导率随温度的变化图”可知，在289 K 下，短链极性醇的加入，使得SDS 的CMC 值随乙醇的加入量随体积比从0% ～12% 增大而增大。这可能是由于乙醇浓度的增加，溶剂性质的改变，使得表面活性剂的溶解度增大，从而使CMC 上升; 也可能是乙醇与水分子发生强烈的作用，特别是形成氢键，破坏水的结构，使溶液的其他物理性质也发生改变，消弱了表面活性剂的憎水效应和胶束形成能力，不利于胶束作用的形成，使CMC 上升。 c. 在实验范围内（298K～323K），吉布斯自由能均小于0，说明十二烷基硫酸钠在不同温度下的CMC时，SDS的胶束化均自发进行。 4.结论 通过采用摩尔电导法对十二烷基硫酸钠（SDS）的临界胶束浓度（CMC）进行了测定。探讨了温度和乙醇等对临界胶束浓度的影响，在25-50℃随着温度的升高，CMC 增大; CMC 值随乙醇的加入量随体积比从0%～12%（以2%为梯度）增大而增大。通过文献给予的β值（0.555），计算出的吉布斯自由能均小于0，初步验证该实验中发生的SDS胶束化为自发过程，验证了文献的正确性。 三．实验总结 1、本次实验成败及其原因分析 本次实验做得比较成功。 优势： 做实验之前，做了比较多的准备工作。像，阅读了一些文献，对本次实验有比较好的理解。 不足： 从“探究温度对SDS的CMC的影响”的数据处理来看，相对误差比较大，25℃、40℃都大于1%。造成这个的原因：系统误差 ；配制溶液时，固体物质还没有完全溶解在水中；配制时由于产生泡沫，影响定容；测量时并不是“由低到高”测量；测量两个电导率（部分）之间，并没有用电导水清洗干净及吸干；温度波动对电导率的测量造成影响。 2、本实验的关键环节及改进措施 本人认为本实验的关键环节在于配制溶液以及测量电导率。如果配制溶液时，定容或者其他做的不好，就会直接地影响整个实验。测量电导率时，关键在于选准、选好量程以及在测量两个不同浓度溶液之间要将铂黑电极洗净、吸干。如果做不好，也会影响实验结果。 改进措施： 我们可以采用多种方法进行测量十二烷基硫酸钠（SDS）的临界胶束浓度（CMC），像表面张力法（表面张力法不仅可以测定例子活性剂，还可以测定非离13

子表面活性剂）。这样可以对比不同方法得到的结果，这样可以更加地得到结论，以及检验结论的准确度。 3、思考题 1. 试说出电导法测定临界胶束浓度的原理？ 答：电导法测量表面活性剂临界胶束浓度的原理是：离子型表面活性剂在水中电离，生成离子可以导电，随着表面活性剂浓度的增加，电导率直线增大。 2. 实验中影响临界胶束浓度的因素有哪些？ 答：温度、浓度、电解质。 3. 若要知道所测的临界胶束浓度是否准确，可用什么实验方法验证之？ 答：可以用其他方法验证，如表面张力法、染料法、增容作用发、光散射法等。其中表面张力法比较准确。 4. 非离子型表面活性剂能否用本实验方法测定临界胶束浓度？若不能，则可用何种方法测定？ 答：a.不能用电导法测定非离子表面活性剂的临界胶束浓度。电导法测量表面活性剂临界胶束浓度的原理是：离子型表面活性剂在水中电离，生成离子可以导电，随着表面活性剂浓度的增加，电导率直线增大。但离子型表面活性剂分子生成胶束后，由于胶束比表面活性剂分子大得多，在水中移动慢得多，故电导率虽仍随着表面活性剂浓度的增大而增大，但增大的幅度（即直线斜率）变小。故电导率随浓度变化曲线上，在临界胶束浓度处有一拐点。对于非离子表面活性剂来说，表面活性剂分子在水中不电离，其溶液的电导率和表面活性剂浓度没有关系，故不能用电导法测定非离子表面活性剂的临界胶束浓度。b.非离子表面活性剂可用表面张力法来测定。 5. 溶液的表面活性剂分子与胶束之间的平衡浓度有关，其关系式可表示为： dlncCMC?ΔH? dTRT2试问如何测定其热效应ΔH值？ 答：根据公式可知，只要知道CMC和T就可计算出相应的热效应。所以，只要设定温度以及测定在这温度的CMC即可计算出ΔH。 指导教师评语及评分： 签名： 年 月 日

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